Esitelmä yhtenäisteorioista

Kirkkonummen Komeetan esitelmäsarjassa oli tällä kertaa vuorossa fysiikan professori Jukka Maalampi, jonka aiheena olivat yhtenäisteoriat. Esitelmää kuulemassa oli 33 henkeä.

Fysiikan tarkoituksena on hankkia empiirisin menetelmin tietoa luonnon lainalaisuuksista ja yhdistää tämä tieto mahdollisimman laajoja ilmiöjoukkoja kattaviksi matemaattisiksi teorioiksi tai malleiksi.

Klikkaa kuvaa!
Professori Jukka Maalampi esitelmöi yhtenäisteorioista Kirkkonummella. Kuva Seppo Linnaluoto.

Lopullisena päämääränä on löytää yksi, kaiken kattava teoria, joka mahdollisimman vähin lähtöoletuksin selittää - ainakin periaatteessa - kaikki tunnetut luonnonilmiöt. Tällaista "viimeistä teoriaa" ei ole vielä näköpiirissä, mutta sitä kohti on kuljettu jo hyvän matkaa.

Ensimmäinen suuri askel vuorovaikutuksien yhdistämisen tiellä oli havainto, että magneettisilla ja sähköisillä ilmiöillä on yhteinen tausta. Tämä tosiasia on tiivistettynä James Clerk Maxwellin kuuluisiin yhtälöihin, jotka muodostavat sähkömagnetismin teoreettisen perustan.

1960-luvulla todettiin, että heikko ydinvoima ja sähkömagneettinen voima voidaan kuvata yhteisellä teorialla, ja kun näkökulmaa laajennetaan, saadaan myös vahva ydinvoima liitettyä mukaan. Joukosta puuttuu painovoima, jota kuvaavan kvanttiteorian löytäminen on osoittautunut vaikeaksi. Supersäieteoriaa 10- tai 11-ulotteisine avaruuksineen pidetään lupaavana yrityksenä yhdistää se muihin luonnon perusvoimiin.

Fyysikko uskoo yksinkertaisiin yleispäteviin lakeihin

Tässä on pitkät perinteet. Jo antiikin kreikkalaisilla oli muutama alkuaine: maa, ilma, tuli ja vesi (sekä eetteri). 1600-luvun lopulla Isaac Newton osoitti, että sama voima saa omenan putoamaan maahan ja Kuun kiertämään maapalloa.

Sähkömagnetismi

1820-luvulla Ampère, Biot, Oersted ja Savart havaitsivat magnetismin ja sähköisten ilmiöiden yhteyden. Sähkövirta vaikuttaa magneetteihin ja magneetit synnyttävät sähkövirtaa.

Tässä oli tilaus yhtenäiselle kuvaukselle! Tällaisen teki James Clerk Maxwell (1831-79) vuonna 1864 - sähkömagnetismin teorian. Tämä oli ensimmäinen yhtenäisteoria.

Klikkaa kuvaa!
James Clerk Maxwell (1831-79) esitti 1864 sähkömagnetismin teorian, joka oli ensimmäinen yhtenäisteoria.

Maxwellin neljä yhtälöä kertovat sähkö- ja magneettikenttien yhteyden sähkövirtoihin ja sähkövarauksiin. Sähkö- ja magneettikentät ovat aaltoja, joiden nopeus on valon nopeus. Heinrich Hertz näki tämän kokeellisesti vuonna 1887. Tästä syntyi myöhemmin radiotekniikka.

Albert Einstein (1879-1955) julkaisi vuonna 1905 tutkimuksen "Liikkuvien kappaleiden sähködynamiikasta". Maxwellin yhtälöt toteuttavat suhteellisuusperiaatteen: Johtoon indusoituva jännitys ei riipu siitä, liikkuuko johto magneetin suhteen vai päinvastoin. Valon nopeus on sama havaitsijan nopeudesta riippumatta. Tästä seuraa suppea suhteellisuusteoria.

Klikkaa kuvaa!
Albert Einstein (1879-1955) yritti suhteellisuusteorioidensa keksimisen jälkeen vuosikymmenien ajan kehittää yhtenäisteoriaa, ilman menestystä.

Seuraavaksi yritettiin yhdistää sähkömagnetismi ja gravitaatio eli painovoima 1900-luvun alussa. Yleisessä suhteellisuusteoriassa yritettiin panna gravitaatio ja sähkömagneettinen voima samaan muottiin. Maailmankuulu suomalainen fyysikko Gunnar Nordström (1881-1923) esitti, että otettaisiin käyttöön viides ulottuvaisuus. Tässä oli ideana se, että gravitaatio on neliulotteisen avaruuden kaarevuutta ja sähkömagneettinen voima olisi kaarevuutta viisiulotteisessa avaruudessa. Myöhemmin saman ajatuksen esittivät Kaluza ja Klein.

Albert Einstein yritti yleisen suhteellisuusteorian keksimisen jälkeen vuosikymmenien ajan kehittää yhtenäisteoriaa, ilman menestystä. Hän teki suuren virheen, ei rakentanut teoriaa kvanttimekaniikan pohjalle.

Juna meni toisaalle

Tällä välin kehitettiin kvanttisähködynamiikka QED, valon ja aineen teoria. Se on äärimmäisen tarkasti testattu kvanttikenttäteoria. Opittiin tuntemaan uusia vuorovaikutuksia, vahva ydinvoima ja heikko ydinvoima.

Opittiin että luonto koostuu perushiukkasista, joita ovat erilaiset kvarkit ja leptonit.

Kvarkit ovat mm. protonien ja neutronien rakenneosia. Leptoneita ovat taas mm. elektroni, myoni ja erilaiset neutriinot.

Klikkaa kuvaa!
Professori Maalammen esitelmää kuunteli 33 henkeä. Kuva Seppo Linnaluoto.

Luonnon perusvoimat

Ensinnäkin on sähkömagneettinen voima. Se hallitsee atomeita ja molekyylejä, siis tavallista luontoa.

Toiseksi on vahva ydinvoima. Se hallitsee atomiytimiä ja kvarkkeja. Se tulee esille mm. ydinvoimaloissa ja se tuottaa mm. Auringon ja tähtien energian.

Kolmanneksi on heikko ydinvoima. Se tuottaa mm. ytimien beeta-radioaktiivisuuden. Siinä esim. atomiytimessä oleva neutroni hajoaa protoniksi, elekroniksi ja antineutriinoksi.

Neljänneksi on sitten gravitaatio eli painovoima. Se hallitsee mm. taivaanmekaanisia ilmiöitä, pitää ihmiset Maan pinnalla ja Maan Aurinkoa kiertämässä.

Heikon voiman kvanttikenttäteoria

Heikolla voimalla on lyhyt kantama, kvantit ovat painavia hiukkasia. Enrico Fermi (1901-54) kehitti ensimmäisen teorian vuonna 1930. Se oli pistevuorovaikutus, ts. siinä oli äärettömän painava kvantti. Se ei toimi, kun energia kasvaa. Se ei ole mittateoria, eikä sillä ole sopivaa mittasymmetriaa.

Sheldon Glashow (1932-), Steven Weinberg (1933-) ja Abdus Salam (1926-) onnistuivat yhdistämään sähkömagneettisen ja heikon vuorovaikutuksen. Tässä sähköheikkoteoriassa oletetut heikon vuorovaikutuksen välittäjäkvantit, ns. välibosonit, todettiin kokeellisesti 1983 CERN:in laboratoriossa Genevessä. Glashow, Weinberg ja Salam saivat teoriasta Nobelin palkinnon 1979.

Tämä standardimalli on erittäin tarkasti testattu, mutta se tarvitsee ns. Higgsin hiukkasta. Higgsin hiukkasen oletetaan antaneen muille hiukkasille massan maailmankaikkeuden syntyhetkellä, ns. alkuräjähdyksessä. Tätä Higgsin hiukkasta ei ole toistaiseksi löydetty.

Suuri yhtenäisteoria

Vahvalla ydinvoimalla on oma teoriansa, kvanttiväridynamiikka QCD. Se on äärimmäisen menestyksekäs alkeishiukkasten vuorovaikutuksien kuvaus.

Mutta voidaanko sähköheikkoteoria ja kvanttiväridynamiikka yhdistää suureksi yhtenäisteoriaksi? Kun vuorovaikutusenergia on 10 potenssiin 14 gigaelektronivolttia, voimat ovat yhtä suuria. Tällaiset olosuhteet olivat varhaisessa maailmankaikkeudessa. Tällöin kvarkit voivat muuttua leptoneiksi.

Protoni ei ole ikuinen, mutta suunnattoman pitkäikäinen.

Pienillä energioilla on heikko voima. Tällöin sähkömagneettinen voima ja vahva voima ovat hyvin erikokoisia. Voiman suuruus riippuu hiukkasten välisestä etäisyydestä. Jos hiukkaset ovat hyvin lähellä toisiaan, niillä on hyvin suuri energia.

Klikkaa kuvaa!
Professori Maalammen esitelmää kuunteli 33 henkeä. Kuva Seppo Linnaluoto.

Entä gravitaatio?

Kvanttiteorian muotoileminen gravitaatiolle on vaikeaa, ongelmana on hiukkasten pistemäisyys. Tämä kierretään nykyään sillä tavalla että pisteet korvataan säikeillä. Tämä toimii vain jos ulottuvuuksia on 10, ts. on kuusi uutta suuntaa. Tässä vanhat Nordströmin, Kaluzan ja Kleinin ideat ovat uusiokäytössä!

Missä sitten uudet ulottuvuudet ovat? Ne ovat käpristyneet pieniksi. Hiljattain on tehty sellainen huomio, että jotkut ulottuvuuksista voivat olla makroskooppisia, luokkaa 0,1 mm!

Eräs mahdollisuus voisi olla, että vain gravitaatio tunkeutuu uuteen ulottuvuuteen. Gravitaatio voi olla vain näennäisesti heikko voima, osa tehosta "karkaa" pois neliulotteisesta maailmasta.

Tässä ollaan menossa

Suurista yhtenäisteorioista ei ole todisteita. Supersäiteoriat ovat vielä kehitysasteella. Suuret ylimääräiset ulottuvuudet ovat spekulaatio, jota voidaan testata.

Päämääränä on kaiken teoria, viimeinen teoria tai primääriteoria.

Seuraavana Komeetan esitelmäsarjassa on vuorossa Geodeettisen laitoksen professori Markku Poutanen, joka esitelmöi Kirkkonummen koulukeskuksen auditoriossa tiistaina 22.4. klo 19 alkaen aiheesta "kolmas planeetta Auringosta - uusimmat tutkimustulokset".

Seppo Linnaluoto